北卡羅來納州研究人員開發(fā)提高3D打印關鍵零部件完成時間效率的方法

2024年5月18日,，南極熊獲悉,，北卡羅來納州立大學（NC State）研究人員展示了一項可自動對金屬3D打印機器部件進行質量控制的技術,。這一技術使用戶無需將零件從打印機中取出,，即可識別潛在的缺陷,。

△該論文發(fā)表在《國際制造技術與管理雜志》上,，題目是“具有關鍵公差的快速成型零件的基于特征的自動檢測和鑒定”（傳送門）

北卡羅來納州立大學Edward P. Fitts工業(yè)與系統(tǒng)工程系助理研究教授Brandon McConnell 表示：“3D 打印和其它增材制造技術吸引人的原因之一是,，這些技術允許用戶快速更換關鍵的機器部件，否則這些部件在工廠之外很難制造出來,。增材制造工具可以根據(jù)需要進行制造,，而不是受制于可能需要長時間等待的供應鏈。這通常意味著使用3D打印按需制造小批量的機器零件,�,！�

金屬機械零件打印完成后，通常需要進行額外的精加工和測量,，以確保零件符合關鍵的公差要求,。目前，這一過程涉及將零件從相關制造設備中取出,、測量,，然后再放回制造設備中進行適度調整。McConnell解釋說：“這可能需要反復進行，耗費大量時間,。我們在這項研究中的工作加速了這一過程,。”

具體來說,，研究人員將3D打印,、自動化加工、激光掃描和觸摸感應測量技術與相關軟件集成在一起,，創(chuàng)建了一個高度自動化的系統(tǒng),，可生產(chǎn)滿足關鍵公差的金屬機器部件。

△圖片展示了增材和減材混合（DASH）過程的順序,。在這個過程中,，使用激光掃描儀來定位零件，并收集數(shù)據(jù)以確定零件本身剩余的額外材料量,。利用掃描數(shù)據(jù),，創(chuàng)建一個轉換矩陣來將原始CAD模型與機器中零件的實際位置對齊。然后,，使用MasterCAM插件自動生成切削路徑,，這些路徑可以上傳到銑床中，用于對關鍵表面進行整體模型粗加工和最終精加工

對比傳統(tǒng)技術新技術可節(jié)省時間成本

在3D打印金屬部件（包括支撐結構）后,，機器操作員將打印好的部件利用支撐結構安裝到精加工設備上,。此時，激光會對安裝好的部件進行掃描,，以確定其尺寸,。然后，軟件程序利用這些尺寸和所需的關鍵公差來引導精加工設備,，從而有效地打磨掉零件上的任何不規(guī)則部分,。在這一過程中，精加工設備會控制3D打印部件的方向,，以便通過觸摸式機器人探頭進行測量,，確保部件的尺寸在必要的參數(shù)范圍內。

為了測試新方法的性能,，研究人員使用傳統(tǒng)的3D打印和精加工技術制造了一個機器零件,，然后使用他們的新工藝制造了同樣的零件。

△在圖(a)中,，顯示了在CAD系統(tǒng)上定義的原始零件坐標系原點,。而在圖(b)中，顯示了添加了犧牲支撐后,，重新定位的零件坐標系,，并突出顯示了紅色定義的主旋轉平面

McConnell說：“使用傳統(tǒng)技術,，我們能夠在200分鐘內完成零件，而使用我們的新技術,，我們能夠在133分鐘內完成同樣的零件,。根據(jù)不同的情況，節(jié)省67分鐘是非常重要的,。在大多數(shù)專業(yè)領域,，時間就是金錢。例如,，在應急響應環(huán)境中,，這可能就是生死攸關的差異�,！�

研究人員指出,，這項工作的重點是打印和加工包括活塞等圓形或圓柱體的機器零件。不過,，這種方法也可適用于具有其它特征的機器零件,。

McConnell表示：“我們在這項技術中使用的所有硬件都可以在市場上購買到，我們在論文中也清楚地概述了必要的軟件,，因此我們認為這種新方法幾乎可以立即被采用并投入使用,。當然，我們也愿意與有興趣在其業(yè)務中使用這項技術的合作伙伴合作,�,！�

這項工作得到了美國陸軍研究辦公室的支持，撥款號為W911NF1910055,。